DE3527063C1

DE3527063C1 - Verfahren und Vorrichtung zum Schutz eines beweglichen,langgestreckten Maschinenteils

Info

Publication number: DE3527063C1
Application number: DE3527063A
Authority: DE
Inventors: Bernhard Dipl.-Ing. Strauß (FH), 7921 Nattheim
Original assignee: Carl Zeiss SMT GmbH; Carl Zeiss AG
Current assignee: Carl Zeiss SMT GmbH; Carl Zeiss AG
Priority date: 1985-07-27
Filing date: 1985-07-27
Publication date: 1986-01-30
Also published as: GB2178168A; GB8617807D0; FR2585279B1; JPS6227609A; FR2585279A1; US4713892A

Description

a) mehrere in Richtung der Längsachse (z) des Maschinenteils strahlende Ultraschallgeber (7) derart um das Maschinenteil (4) angeordnet sind, daß ein das Maschinenteil (4) umgebendes,

65 Im Maschinenbau, insbesondere beim Bau von Koordinatenmeßmaschinen ist es oft erforderlich, die in· den Arbeitsbereich bzw. Meßbereich hineinragenden, langgestreckten beweglichen Maschinenteile, z. B. die das Meßwerkzeug tragende Pinole der Meßmaschine, gegen unbeabsichtigte Kollisionen zu schützen. Außerdem sollen Verletzungen des Bedienpersonals durch die beweglichen Maschinenteile ausgeschlossen werden.

Zu diesem Zwecke ist es unter anderem aus der EP-A 1116 807 bekannt, um die Pinole einer Meßmaschine in Brückenbauweise eine mantelförmige Lichtschranke zu legen, bei deren Unterbrechung die Maschine stillgesetzt wird. Diese bekannte Schutzvorrichtung benötigt einen Reflektor- bzw. Empfängerkranz am unteren, den Meßtaster tragenden Ende der Pinole. Das hat jedoch folgende Nachteile: Einmal sind der Reflektorkranz selbst und die noch darunter befindlichen Teile des Tastkopfes ungeschützt und könnten bei einer Kollision zerstört werden. Zum anderen werden durch den Reflektorkranz die Querabmessungen über das für die Pinole nötige Maß hinaus vergrößert. Der Empfängerkranz stört deshalb bei der Montage bzw. Demontage der Pinole und müßte vorher entfernt werden.

Weiterhin ist eine Koordinatenmeßmaschine in Portalbauweise bekannt, bei der die Pinole durch darumgelegte Zugfedern geschützt ist, die auf einem im Vergleich zum Maschinenkörper anderen elektrischen Potential liegen. Bei Kontakt zwischen Pinole und Zugfeder infolge einer Kollision wird die Maschine stillgesetzt. Auch hier ist ein Kranz am unteren Pinolende nötig, um die Federn zu spannen. Diese Vorrichtung bietet außerdem nur dann Schutz, wenn das Hindernis

oder die Pinole selbst aus elektrisch leitendem Material bestehen. Meßmaschinen werden aber einschließlich der Pinole in zunehmendem Maße aus Granit gefertigt.

Es ist weiterhin bekannt, Ultraschall-Sensoren als Kollisionsschutz unter anderem bei Schienenfahrzeugen einzusetzen. Der Schallgeber sendet dabei einen Impuls in Bewegungsrichtung des Fahrzeugs aus, aus dessen Laufzeit bzw. der Laufzeit seines Echos der Abstand zu einem Hindernis ermittelt und bei Unterschreiten einer Sicherheitsentfernung ein Schaltvorgang ausgelöst wird. Es ist jedoch nicht ohne weiteres möglich, nach diesem Prinzip die Querbewegung der Pinole einer Meßmaschine gegen Kollision zu sichern, da die Schallsensoren eine gewisse Totzeit besitzen und dadurch bedingt im Bereich kurzer Entfernungen unter etwa 250 mm keine Messung erlauben. Bei Meßmaschinen bildet jedoch in den meisten Fällen das Meßobjekt selbst das Hindernis und es muß deshalb möglichst nahe an das Meßobjekt herangefahren werden können. Außerdem müssen zum sicheren Kollisionsschutz eines langgestreckten Teils mehrere Schallsensoren eingesetzt werden, deren Echosignale jedoch einander stören.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Schutz eines in mehreren Richtungen unter anderem senkrecht zu seiner Längsachse beweglichen Maschinenteils anzugeben, das möglichst keine Veränderungen am Maschinenteil selbst erfordert und sicher auch im Bereich kurzer Distanzen arbeitet.

Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen der Ansprüche 1 bzw. 7 angegebenen Maßnahmen gelöst.

Gemäß der Erfindung werden zur Sicherung des Maschinenteils mehrere Ultraschallgeber bzw. Sensoren eingesetzt, die nicht in Richtung der zu sichernden Bewegung abstrahlen, sondern in Richtung der Längsachse des Maschinenteils, also z. B. der Pinole einer Meßmaschine, und das bei Eintritt eines Hindernisses in das Schallfeld entstehende Signal wird zur Einleitung des Abbremsvorganges weiter verarbeitet. Es ist somit möglich, nur sehr wenige Schallgeber zum Aufbau des Schallmantels zu aktivieren, nämlich die, von denen der in Fahrtrichtung vor dem Maschinenteil liegende Bereich gesichert wird, wenn die Geometrie des von den Gebern ausgesandten Schallkegels ist an die längliche Form des Maschinenteils angepaßt und deckt diese ab. Da nicht alle Schallgeber, die um das Maschinenteil herum angeordnet sind, nacheinander erregt werden müssen, sind sehr kurze Totzeiten des Systems erzielbar.

Am zu schützenden Maschinenteil selbst müssen überhaupt keine Veränderungen vorgenommen oder Teile angebracht werden, da die auch als Empfänger arbeitenden Schallgeber nur an einer Seite, z. B. dem Träger oder Querschlitten, an dem das Maschinenteil befestigt oder geführt ist, angebracht werden können. Ein Reflektorkranz ist nicht nötig, da ja das vom Hinternis reflektierte Echo ausgewertet wird und der Kollisionsfall durch Vergleich der bekannten Längenausdehnung des Maschinenteils mit der Laufzeit des Schallsignals erkannt wird. Es ist zweckmäßig, wenn die Maschine nicht sofort nach Erkennen eines in den Schallmantel eintauchende Hindernisses stillgesetzt wird, was im Prinzip möglich ist, sondern vielmehr dessen Lage in der sich senkrecht zur Längsachse erstreckenden Ebene, in der das Maschinenteil verfahren wird, unter Berücksichtigung seiner Bewegungsrichtung, der Geometrie des Schallmantels und der Ist-Position des Maschinenteils bestimmt wird. Dies erlaubt es, den Abbremsvorgang erst dann bzw. an dem Punkt einzuleiten, an dem dies unter Berücksichtigung der Geschwindigkeit des Maschinenteils und der bekannten Verzögerungswerte der Maschine unbedingt erforderlich ist.

Weiterhin ist es dann möglich, die Geschwindigkeit des beweglichen Teils nach Eintritt eines Hindernisses schrittweise zu reduzieren und damit den Zeitpunkt bzw. Ort, ab dem völlig abgebremst wird, immer weiter hinauszuschieben. Das erlaubt eine nahezu beliebig dichte Annäherung an das Hindernis, das ja beispielsweise ein Werkstück sein kann, welches vermessen werden oder bearbeitet werden muß.

Ein sofortiges Einleiten des Abbremsvorganges ist jedoch für den Fall vorteilhaft, daß die Maschine beim Eintauchen des Hindernisses in den Schallmantel im EiI-gang fährt.

Der Sicherheit gegen Störimpulse, die ein nicht vorhandenes Hindernis vortäuschen, dient es, wenn der Abbremsvorgang erst dann eingeleitet wird bzw. die Abbremskoordinaten erst dann berechnet werden, nachdem in mindestens zwei Meßzyklen die aus der Laufzeit der Schallimpulse berechneten Objekt- bzw. Hindernisentfernung die Längenausdehnung des Maschinenteils unterschreitet. Bei einem auch in Richtung seiner Längsachse beweglichen Maschinenteil wie der Pinole einer Meßmaschine ist es vorteilhaft, stets die momentane Ausfallänge zu ermitteln und in den Vergleich mit der Hinderniskoordinate, d.h. der Objektentfernung in Richtung der Längsachse des Maschinenteils, einzubeziehen.

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der F i g. 1 bis 4 der beigefügten Zeichnungen.
F i g. 1 ist eine Prinzipskizze, die die räumliche Anordnung der Schallgeber bei einer mit der Schutzvorrichtung ausgerüsteten Meßmaschine in Portal- oder Brükkenbauweise zeigt;

Fig.2 stellt einen Schnitt längs der Linie II-II in F i g. 1 dar;

F i g. 3 ist die Prinzipskizze einer zur Steuerung und Signalauswertung der Schallgeber 7 aus F i g. 1 und 2 dienenden Anordnung;

F i g. 4 ist ein Flußdiagramm, das die Arbeitsweise der Anordnung nach F i g. 3 verdeutlicht.

In der Skizze nach F i g. 1 ist mit 1 der Tisch einer Mehrkoordinaten-Meßmaschine in Portal- bzw. Brükkenbauweise bezeichnet, wobei jedoch aus Gründen der Vereinfachung lediglich der Querträger 2 mit dem daran geführten x-Schlitten 3 und die im jr-Schlitten vertikal verschiebbare, d. h. in z-Richtung bewegliche Pinole 4 dargestellt sind. Der Querträger 2 sebst ist entlang hier nicht dargestellter Führungen in Richtung der dritten Koordinate y, d. h. senkrecht zur Zeichnungsebene x/z beweglich.

Am unteren Ende trägt die Pinole 4 den Tastkopf 5 mit dem auslenkbaren Taststift 6 zur Vermessung eines auf dem Tisch 1 befindlichen Werkstücks 8. Wie im Schnitt nach F i g. 2 dargestellt ist, sind an der Unterseite des Schlittens 3 acht ringförmig um die Pinole 4 herum angeordnete Ultraschallwandler 7a—7h befestigt. Jeder dieser acht Wandler 7 ist in der Lage ein keulenförmiges Schallfeld zu erzeugen, welches etwa die in F i g. 1 gestrichelt gezeichnete in Richtung auf den Tisch 1 konisch erweiterte Form besitzt. In Summe wird damit ein mantelförmiges Schallfeld realisiert, das die Pinole 4 und den Tastkopf 5 umgibt und bis zur Oberfläche des Tisches 1 reicht.
Bei den Schallwandlern 7 handelt es sich um bekannte

Bauelemente, die gleichzeitig als Sender und Empfänger arbeiten. Nach Ansteuerung des entsprechenden Einganges senden sie einen Schallimpuls aus und eine mit den Wandlern verbundene Elektronik erzeugt aus dem anschließend empfangenen Echosignal einen zeitlich versetzten Antwortimpuls, wobei der Zeitverzug zwischen den beiden Impulsen ein Maß für die Entfernung zu dem das Echo reflektierenden Hindernis ist. Solche Schallwandler werden beispielsweise von der Firma Siemens, München, Bundesrepublik Deutschland hergestellt.

Das von den Ultraschallwandlern 7 erzeugte Schallfeld dient dazu, die Pinole 4 und den starren Teil des Tasters 5, d. h. die mit z_p bezeichnete Ausfahrlänge der Pinole 4 gegen Kollision z. B. mit dem ausragenden Teil 9 des Meßobjekts 8 zu schützen, indem dann, wenn das Teil 9 in das Schallfeld des gerade aktivierten Wandlers eintritt, ein Signal an die Maschinensteuerung abgegeben wird, welches zur Einleitung der Abbremsbewegung dient. Ein Antasten des Meßobjekts 8 mit dem Taststift 6 muß jedoch erlaubt sein. Die in F i g. 3 dargestellte Anordnung stellt wie nachstehend noch beschrieben wird sicher, daß nur dann abgebremst wird, wenn die Entfernung zh in Längsrichtung der Pinole 4, d. h. die Hindernisordinate kleiner ist als die zu schützende Ausfahrlänge Z₉.

Da sich die von den Schallwandlern 7 empfangene Echos überlagern, ist es dann, wenn im Zuge der Signalauswertung eine genauere Lokalisierung der Position des erkannten Hindernisses in der horizontalen Ebene x/y gefordert wird, nötig, die Schallwandler 7 im Multiplexbetrieb, d. h. einzeln nacheinander zu erregen. Da im Multiplexbetrieb die Totzeit des Systems aber der Anzahl der zyklisch erregten Wandler proportional ist, werden abhängig von der Bewegungsrichtung der Pino-Ie 4 in der Horizontalebene x/y nur jeweils vier Wandler erregt, die einen in Bewegungsrichtung vorgesetzten, halbkugelförmigen Schallmantel erzeugen. Bei Bewegung in Richtung des Pfeils Pin F i g. 2 werden also z. B. die Wandler Te, f, g und h erregt. Auch diese von der Bewegungsrichtung abhängige Auswahl der Wandler wird von der in F i g. 3 dargestellten Anordnung vorgenommen.

Es sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, daß es bei geeigneter Dimensionierung, d. h. Anpassung der Geometrie der Schallkeulen der Wandler 7 an die Abmessungen der Pinole 4 auch ausreichend sein kann, abhängig von der Bewegungsrichtung der Pinole 4 jeweils nur zwei Wandler zu erregen. Es ist dann eine feinere Richtungsdiskriminierung der Bewegung der Pinole 4 erforderlich. Für die nachstehende Betrachtung der Funktionsweise der Anordnung nach F i g. 3 wird jedoch von dem erstgenannten Fall ausgegangen, wonach vier Wandler erregt werden, abhängig davon, ob der Bewegungssektor P der Pinole 4 in einem der vier mit A, B, C und D bezeichneten Quadranten in der x-y Ebene liegt. Die Zuordnung der Wandler 7 ergibt sich dann gemäß der nachstehenden Tabelle:

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V»	Vy	Sektor	Schallgeber?
>0	>0	D	cdef
>0	<0	A	efgh
<0	>0	C	abcd
<0	<0	B	ghab

Zur Ansteuerung der Schallwandler 7a—ή und zur teilweisen Verarbeitung der von ihnen gelieferten Echosignale ist im Ausführungsbeispiel nach F i g. 3 eine aus diskreten Bauelementen aufgebaute Schaltung 11 vorgesehen, die an die vorhandene Maschinensteuerung 12 und den Steuerrechner 13 der Meßmaschine angeschlossen ist.

Die Schaltung 11 enthält einen den Schallwandlern vorgeschalteten Multiplexer 14, über den die Schällwandler 7 mit einer vom Taktgeber 16 der Maschinensteuerung 12 abgeleiteten, durch einen Teiler 15 reduzierten Frequenz zyklisch angesteuert werden.

Jeder der Schallwandler 7 besitzt vier Anschlüsse: zwei für die Betriebsspannung des den Schallwandlern zugeordneten Pulsformer- und Verstärkerteils, das hier nicht mehr dargestellt ist, sowie je einen Eingang S_x zur Aktivierung des Sendeimpulses und eine Rückleitung 5, die den Empfang eines Echoimpulses meldet. Die beiden letzten Anschlüsse jedes der acht Schallwandler sind über den Multiplexer 14 geführt.

Die Rückleitung 5 und der Ausgang »Oberflow« eines ersten Zählers 18 sind an die Eingänge eines »Oder«-Gatters 17 gelegt. Dessen Ausgang und der Ausgang des Teilers 15 sind über ein »Und«-Gatter 19 zusammengeschaltet, so daß am Ausgang 53 dieses Gatters ein mit dem Takt der Maschinensteuerung synchronisiertes Signal immer dann vorliegt, wenn der betreffende Schallwandler 17 ein Echo empfangen hat oder der Zähler 18 überläuft, d. h. der vom Schallimpuls durchlaufene Meßbereich überschritten ist. Das Signal 53 am Ausgang des Gatters 19 ist außerdem einem 2-bit Zähler 20 zugeführt. Dessen Ausgänge sind mit den Steuereingängen c, d des Multiplexers 14 verbunden und dienen dazu, die vier für die aktuelle Bewegungsrichtung benötigten Schallwandler zyklisch durchzuschalten. Über die Steuereingänge a und b des Multiplexers wird das Schallwandlerquadrupel ausgewählt, das dem anhand von Fig.2 erläuterten Fahrtrichtungs-Quadranten entspricht. Den Eingängen a und b sind deshalb über einen Speicherbaustein 21 die den Geschwindigkeiten V_x und V_y entsprechenden Signale aus der Maschinensteuerung 12 zugeführt.

Die Steuereingänge a, b,c und d bestimmen eindeutig, welcher der acht Schallwandler 7 gerade aktiviert ist. Diese Information wird von einer Rückleitung 23, die über einen Speicher 22 geführt ist, an den Steuerrechner 13 der Maschine weitergegeben.

Der Eingang des Zählers 18 ist mit dem Ausgang des Teilers 15 verbunden und die den Zählerstand des Zählers 18 repräsentierenden Ausgänge sind einem 8-bit Speicher zugeführt, der in einem ebenfalls vom Ausgang 53 des Gatters 19 gelieferten Takt den Zählerinhalt übernimmt. Der Zählerinhalt ist die Zahl der in der Zeit zwischen dem Sendeimpuls und dem Echoimpuls aufsummierten Perioden der Taktfrequenz des Teilers 15 und ist der Hindernisordinate z» proportional. Diese Information wird durch einen dem Speicher 24 nachgeschalteten Umsetzer 25 auf das 16-bit Format umgesetzt, in dem die Information betreffend die aktuelle Ausfahrlänge z_p der Pinole 4 von der Maschinensteuerung 12 einem Speicher 26 übergeben wird.

Ein Komparator 27 vergleicht die Inhalte des Speichers 26 mit dem umgesetzten Wert des Speichers 24 und gibt ein Steuersignal an den Rechner 13 der Meßmaschine ab. Wenn der Vergleich ergibt, daß die Hindernisordinate zh kleiner ist als die Ausfahrlänge Z₉, und die Hindernisordinate zn bei der hervorgehenden Messung zurückgesetzt worden war, wird der Rechner veranlaßt, aus der eingespeicherten Geometrie des Schall-

mantels, den aktuellen Koordinaten x_p und y_p der Pinole und aus der Hindernisordinate Zh, die ebenfalls vom Umsetzer 25 an den Rechner 13 übergeben wird, die genauen Hinderniskoordinaten zu berechnen und davon unter Berücksichtigung der momentanen Ge- 5 schwindigkeit und Bewegungsrichtung der Pinole 4 und den Zeitpunkt bzw. die Koordinaten abzuleiten, ab denen die Maschine abgebremst werden muß. Im anderen Falle, d. h. wenn der Vergleich Zh größer als z_p ergibt, wird die Hindernisordinate zurückgesetzt. 10

Die Arbeitsweise der Anordnung 11 ist im Flußdiagramm nach F i g. 4 nochmals übersichtlich dargestellt. Es ist klar, daß anstelle der diskreten Bauelemente der Anordnung 11 auch ein Mikroprozessor eingesetzt werden kann, der entsprechend dem in F i g. 4 dargestellten 15 Flußdiagramm programmiert ist.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

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Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Schutz eines in mehreren Raumrichtungen, u. a. senkrecht zu seiner Längsachse bewegliche, langgestreckten Maschinenteils wie z. B. des Meßarms (Pinole 4) einer Mehrkoordinatenmeßmaschine, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere, das Maschinenteil (4) umgebende und mit ihm bewegliche, in Richtung seiner Längsachse abstrahlende Ultraschallgeber (7) abhängig von der Bewegungsrichtung (x) gruppenweise zusammengeschaltet und zyklisch erregt werden, um ein dem Maschinenteil (4) in Bewegungsrichtung (x) vorgesetztes Schallfeld (29) zu erzeugen, daß die Laufzeit der Schallimpulse ermittelt und daraus die Entfernung (Zh) eines in das Schallfeld (29) eintauchendes Objekts (8/9) in Richtung der Längsachse (z) des Maschinenteils (4) bestimmt wird und daß dann, wenn die Entfernung (Zh) die Längenausdehnung des Maschinenteils (4) unterschreitet, ein zur Einleitung des Abbremsvorganges verwendbares Signal erzeugt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß aus der Bewegungsrichtung (x), der Geometrie des Schallfeldes (29) und der Position (x_p) des Maschinenteils (4) im Zeitpunkt des Eintauchens des Objekts (8/9) in den Schallmantel die Lage (xh) des Objekts (8/9) in der sich im wesentlichen senkrecht zur Längsachse (z) des Maschinenteils (4) erstreckenden Ebene (x/y) bestimmt wird, und daß die Ist-Position (xp, y_p) des Maschinenteils (4) und die Lagekoordinaten (xk, yk) des Objekts (8/9) miteinander verglichen werden und aus dieser Differenz und der Geschwindigkeit (V_x, V>) des Maschinenteils (4) der Ort bzw. Zeitpunkt zur Einleitung des Bremsvorganges berechnet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Geschwindigkeit (V_x, V_x) nach dem Eintauchen des Objekts in den Schallmantel sukzessive verringert und die Bestimmung der Abbremskoordinaten (Xa, Ya) der jeweilig reduzierten Geschwindigkeit mehrfach wiederholt wird.

4. Verfahren nach Anspruch I₁ dadurch gekennzeichnet, daß der Abbremsvorgang sofort nach Eintauchen des Objektes (8) in das Schallfeld eingeleitet wird, wenn das Maschinenteil (4) im Eilgang fährt.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abbremsvorgang eingeleitet wird, wenn in mindestens zwei Meßzyklen die aus der Laufzeit der Schallimpulse berechnete Objektentfernung (Zh) die Längenausdehnung (Z₉) des Maschinenteils (4) unterschreitet.

6. Verfahren nach Anspruch 1—5, dadurch gekennzeichnet, daß bei jedem Meßzyklus die momentane Ausfahrlänge (Z₉) des zusätzlich in Längsrichtung (z) beweglichen Maschinenteils (4) neu ermittelt wird.

7. Vorrichtung zum Schutz eines in mehreren Raumrichtungen, u. a. senkrecht zu seiner Längsachse (z) beweglichen, langgestreckten Maschinenteils, wie z. B. des Meßarms (Pinole 4) einer Mehrkoordinatenmeßmaschine, dadurch gekennzeichnet, daß

mantelförmiges Schallfeld (29) erzeugbar ist,

b) den Ultraschallgebern eine Anordnung (11) vorgeschaltet ist, der ein von der Bewegungsrichtung (A, B, C, D) in der Ebene (x/y) senkrecht zur Längsachse (z) des Maschinenteils (4) abhängiges Signal zugeführt ist und die Schallgeber (7) von der Anordnung (11) gruppenweise ansteuerbar sind,

c) einer Recheneinheit (13) vorgesehen ist, die aus der Verfahrgeschwindigkeit (v_x), der Geometrie des Schallmantels (29) und dem Ort bzw. Zeitpunkt des Eintauchens eines Objekts (8/9) in den Schallmantel (29) Ort- bzw. Zeitpunkt für die Abgabe eines den Bremsvorgang einleitenden Signals berechnet.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorrichtung die Signale der den Maschinenachsen zugeordneten Längenmeßsysteme bzw. die daraus vom Steuerrechner der Maschine ermittelten Ist-Koordinaten Xp, y_p, z_p zugeführt sind.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung einen Hardware-Komparator (27) enthält, der den Wert eines ersten Zählers (18) für die aus der Schall-Laufzeit ermittelten Hindernisordinate zh und den von der Maschinensteuerung erhaltenen Wert eines die Ausfahrlänge (zp) des Maschinenteils (4) repräsentierenden zweiten Zählers miteinander vergleicht und bei Unterschreitung ein Signal an die Recheneinheit bzw. den Steuerrechner (13) der Maschine abgibt.